CC BY
7
УДК 539.372:621.791.01:539.3
ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ В СВАРНОМ ШВЕ СПЛАВА ВТ1-0
ПРИ ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЕМ
К. А. Курган1, А. М. Устинов1, А. А. Клопотов1' 2, С. П. Ереско3, К. А. Безухов1*
1Томский государственный архитектурно-строительный университет. Российская Федерация, 634003, г. Томск, площадь Соляная, 2 2Национальный исследовательский Томский государственный университет Российская Федерация, 634055, г. Томск, ул. Ленина 36 3Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: bezuhov_k@mail.ru
Сплавы на основе титана на протяжении многих лет используются в авиакосмической отрасли. Приведены данные по исследованию распределений деформационных полей в области сварного шва из титанового сплава при помощи системы VIC-3D.
Ключевые слова: титановый сплав, деформация, электронно-лучевая сварка
RESEARCHES BY METHOD OF CORRELATION OF DIGITAL IMAGES DISTRIBUTIONS OF DEFORMATION FIELDS IN WELD SEAM OF ALLOY BT1-0 AT TENSILE DEFORMATION
К. А. Kurgan 1, А. М. Ustinov 1, А. А. Кlopotov1' 2, S. P. Еге8ко3, К. А. Bezuchov1*
1Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., Tomsk, 6340032, Russian Federation, 3National Research Tomsk State University, 36, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 3Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: bezuhov_k@mail.ru
Titanium-based alloys have been used in the aerospace industry for many years. The paper presents data on the study of the distributions of the deformation fields in the weld area of titanium alloy using the VIC-3D system.
Keywords: titanic alloy, deformation, electron beam welding.
В авиационно-космической отрасли достаточно широко используются конструкции из титановых сплавов. Титановые сплавы по своим по физико-механическим свойствам обладают промежуточными свойствами между сталью и алюминием. Поскольку титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью (ав = 400^450 МПа), малой плотностью (р = 4,5х10~3кг/м3) высокой технологичностью при обработке давлением и неограниченной свариваемостью. Одним из основных способов изготовления конструкций из титановых сплавов является сварка. При этом центрами разрушения металлоконструкций часто являются места сварного соединения. Это обусловлено структурно-фазовыми изменениями, происходящими в процессе создания сварного соединения. Поэтому представляет интерес, как эти структурные изменения оказывают влияние на распределения деформационных полей в зоне сварного шва при внешних механических воздействиях.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 1
В данной работе представлены результаты исследований распределений деформационных полей на поверхности в области сварного шва в титановом сплаве ВТ 1-0 при растяжении, полученных при помощи визуализации методом корреляции цифровых изображений
Для изготовления образцов были использованы пластины из титанового сплава ВТ 1-0 с размерами 80x9x1,8 мм. Структура пластин сплава характеризуется средним размером зерен порядка 5 мкм.
Соединение двух пластин из сплава ВТ 1-0 проводили при помощи электронно-лучевой сварки на установке ЭЛС-0,5-6 с мощностью 6 кВт и диаметром электронно-лучевого пучка в зоне сварки 0,5 мм в вакуумной камере.
Для изучения распределений деформационных полей помощи цифровой оптической системы У1е-3Э в процесс деформации образцов растяжением на поверхности образцов были созданы спекл-картины (стохастическое расположение черных точек на белом фоне).
Деформационные испытания сварных образцов проводили на испытательной машине «Г^ТЯОК 3386». Эволюцию деформационных полей при испытаниях фиксировали при помощи оптической измерительной системы У1С-3Э [1].
Поля перемещений, регистрируемые оптической измерительной системы У1С-3Э, позволяют зафиксировать проекции смещений локальных участков поверхности вдоль оси ОХ - «поперечная деформация» образцов; вдоль оси ОУ - «продольная деформация» образцов. Ось ОХ направлена перпендикулярно относительно оси приложенного внешнего напряжения а при растяжении образца. Оси ОУ - вдоль направления напряжения а.
На рис. 1, приведены деформационные кривые образцов без сварного шва и со сварным швом, полученного сваркой из двух пластин титанового сплава ВТ 1-0. Видно, что деформационные кривые значительно отличаются. Такое отличие между целым образцом и образцом со сварным швом свидетельствует о разных механизмах деформации этих двух образцов. Это явление проявляется в распределении деформационных полей в области сварного шва (рис. 2).
На рис. 2, а, б представлено распределение зоны локальной деформации в области сварного шва на начальной стадии деформации (рис. 1, б, точка 1). На приведенной картине распределения деформационных полей по всему образцу видно, что на поверхности образца существуют области деформации растяжения и сжатия. Часть этих областей в верхней и нижней части образца вытянуты в вдоль направлений под углом 5°^ 10°. В центральной части образца в районе сварного шва эти области вытянуты вдоль направлений под углом 30°^40°. Кроме того в верхней части образца наблюдается более высокая концентрация сжатых деформационных областей (е < 0) по сравнению с нижней частью образца. При этом в нижней части образца больше локальных областей деформаций, которые растянуты (е > 0). (рис. 2, а). Такое различие в распределении деформационных полей в верхней и нижней пластинах свидетельствует о том, что эти пластины в сварном соединении находятся не в одной плоскости. Также необходимо отметить, что на этой стадии в области сварного шва шириной порядка 0,5 мм наблюдается локализация деформаций с более высокими значениями относительно средних значений деформаций на поверхности всего образца (рис. 2, а, б).
На рис. 2, в, г представлены картины распределения деформационных полей при значительных напряжениях (рис. 1, б, точка 2). Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что
Рис. 1. Диаграммы нагружения а = / (е) образцов из сплава ВТ 1-0: а - образец без сварного шва; б - образец со сварным швом. Арабские цифры соответствуют положению на кривой картинам распределений деформационных полей на поверхности образца на рис. 2
здесь определяющим является рост локализации деформации непосредственно в зоне сварного шва. Здесь необходимо отметить, что значение ширины области локализации в зоне сварного шва сопоставима с размерами диаметра электронно-лучевого пучка, при помощи которого была проведено сварное соединение. При этом внешнем напряжении приводит величина локальной деформации в области сварного шва и достигает значений порядка 4 %. При этом на поверхности всего образца в верхней и нижней части вдали от сварного шва среднее значение деформации на порядок меньше и без образования очагов пластической деформации.
Таким образом, установлено, что основным механизмом пластической деформации при таком виде сварки и при данных режимах сварки двух пластин из титанового сплава ВТ 1-0, является сварной шов. Эти результаты получены при помощи оптической измерительной системы У1С-3В и они позволили установить на основе анализа распределения деформационных полей, что при деформации растяжением в зоне сварного шва происходит образование локализованной области пластической деформации. Также установлено, что численное значение пластической деформации в зоне сварного шва растет по экспоненциальному закону с увеличением приложенной внешней нагрузки.
а б в г
Рис. 2. Картины распределений вертикальных относительных деформаций еУу на поверхности всего сварного образца титанового сплава ВТ1-0 (а, в) и в увеличенном масштабе в области сварного шва (б, г) при разных внешних напряжениях ст:
а, б - ст = 35 МПа; в, г - ст = 172 МПа
Библиографическая ссылка
1. Изменения напряженно-деформированных состояний приповерхностных слоев стали в процессе нагружения / Д.Г. Копаница, А.М. Устинов, А.И. Потекаев, А.А. Клопотов, Е.С Марченко // Известия вузов. Физика. 2017. Т. 60, № 9. С. 105-113.
© Курган К. А., Устинов А. М., Клопотов А. А., Ереско С. П., Безухов К. А., 2019
